CN102889879A - 用于确定图像传感器的倾斜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定图像传感器的倾斜的方法。本发明特别涉及一种用于确定摄像机中的图像传感器表面平面相对于摄像机的镜头参考平面的倾斜的方法。该方法包括：将光发送到所述图像传感器上，接收从所述图像传感器反射的光，识别所反射的光的干涉图样，识别所述干涉图样的特征，以及基于在所述干涉图样中识别出的所述特征的位置确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

Description

用于确定图像传感器的倾斜的方法

技术领域

本发明涉及用于确定摄像机中的图像传感器的倾斜的方法。

背景技术

摄像机尤其是监控和监视摄像机获得的图像的质量已得到提高，但对更高质量的图像的要求也在提高。这些要求导致的结果之一是在摄像机中实现像素数量增加和像素间距减小的图像传感器。然而，为了实现更高质量的图像，除像素数量和像素间距外，还应考虑其它特征。

例如，在图像传感器中像素数量的增加和像素间距的缩短使得图像捕获装置对图像传感器与向图像传感器提供表现场景的光的光学器件之间的失准愈加敏感。因此，如果图像传感器安装精度不够高，则由增加的像素数量而产生的质量可能劣化。

目前，利用各种不同的方法来测量图像传感器相对于摄像机的光轴，即安装到摄像机上的镜头的光轴的倾斜。

一种方法包括利用“绝佳光学器件”，即基本无缺陷的光学器件。利用该“绝佳光学器件”捕获特定目标的图像，然后通过分析所捕获的图像可确定传感器的倾斜。在另一种方法中，利用显微镜测量倾斜，其中在显微镜中采用极短的景深。在又一种方法中，激光束沿摄像机的光轴被导引到图像传感器上，并检查反射是否从光轴偏转。该方法的一个问题是识别来自图像传感器的反射，这是由于当沿光轴向图像传感器发出激光时产生多个反射，难以确定这些反射中的哪一个源自于图像传感器。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于确定安装在摄像机中的图像传感器的倾斜的改进方法。

该目的借助于根据权利要求1所述的用于确定摄像机中的图形传感器表面平面的倾斜的方法得以实现。本发明的进一步的实施例在从属权利要求中呈现。

更具体地，根据一个实施例，一种用于确定摄像机中的图像传感器表面平面相对于所述摄像机的镜头参考平面的倾斜的方法包括：将光发送到所述图像传感器上，接收从所述图像传感器反射的光，识别所反射的光的干涉图样，识别所述干涉图样的特征，以及基于在所述干涉图样中识别出的所述特征的位置确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

基于干涉图样的特征确定图像传感器的倾斜的优点在于该确定更可靠。提高的可靠性是由来自于图像传感器本身上的反射的干涉图样产生的结果，而不是来自可布置于射向图像传感器的光路中的所有其它的反射表面的干涉图样产生的结果。因此，对由图像传感器之外的其它表面或装置产生的特征进行测量的风险得以最小化。

根据一个实施例，所述特征为所述干涉图样的干涉位置。

根据另一个实施例，所述特征为所述干涉图样中的零级干涉。

在一个实施例中，所述零级干涉的识别基于与来自发送到所述图像传感器上的光的路径中的反射表面的镜面反射的近似。因此，有利于识别出干涉图样内的零级干涉。

在另一个实施例中，所述零级干涉的识别基于与来自未倾斜的图像传感器的零级干涉的期望位置的近似。该实施例的一个优点在于便于识别出干涉图样内的零级干涉。

在又一个实施例中，通过测量干涉的特征的位置与未倾斜的图像传感器表面平面的干涉的特征的期望位置之间的距离来确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

根据另一个实施例，通过测量干涉的特征的位置与预定的中心点之间的距离来确定所述图像传感器表面平面的倾斜，其中所述预定的中心点是正常操作时安装至所述摄像机上的镜头的光轴与分析表面相交的点。

根据一个实施例，确定所述图像传感器表面平面的倾斜包括：确定所识别的干涉特征的第一位置，绕垂直于所述镜头参考平面的轴将所述摄像机大致旋转180度，在旋转所述摄像机之后，确定所述干涉特征的第二位置，以及基于所述干涉特征的所述第一位置与所述第二位置之间的距离确定所述图像传感器表面平面的倾斜。该实施例的优点在于可无需为确定倾斜而识别与干涉特征的位置相关的精确的中心点来确定倾斜。因此，可避免与类似中心点的精确度相关的不确定度，结果可更加可靠。

在又一个实施例中，所述镜头参考平面为垂直于正常操作时安装到所述摄像机的镜头的光轴的平面。

在一个实施例中，所述方法进一步包括将所述摄像机附接到测试装置，该测试装置将所述镜头参考平面布置为大致平行于分析表面。

根据另一个实施例，在分析表面上确定干涉特征的位置。

在一个实施例中，所述分析表面包括能够可视地呈现从所述摄像机反射的光的表面。可视地呈现的优点在于看着表面的人员可进行分析，以及可在相当简单的装置中实现该分析。因此，这种装置的成本可较低。

在另一个实施例中，所述分析表面包括布置为检测从所述摄像机反射的光的图像传感器。该实施例的优点在于不需要人来监控和分析该结果。

根据一个实施例，发送到所述图像传感器上的光为单色光。

根据另一个实施例，发送到所述图像传感器上的光为激光。

本发明的又一应用范围从下面给出的详细描述中将变得明显。然而，应当理解，由于在本发明范围内的各种改变和修改从详细描述中对于本领域技术人员来说将变得明显，因此仅仅通过示例的方式给出该详细描述和指示本发明优选实施例的特定示例。因此，应当理解，本发明不限于所描述装置的具体组成部件或者所描述方法的步骤，这是因为这种装置和方法可以改变。还应当理解，本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制。必须注意，如在说明书和所附权利要求中所使用的单数形式以及“所述”等旨在意味着存在一个或多个元件，除非上下文另外明确地指定。因此，例如对“传感器”或“所述传感器”的引用可以包括若干传感器等。此外，词语“包括”不排除其它的元件或步骤。

附图说明

从以下参照附图对当前优选实施例的详细描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显，附图中：

图1为表示根据本发明一个实施例的结构和光路的示意图，

图2为表示对从倾斜的表面，例如图像传感器反射的光束的作用的示意图，

图3为表示干涉图样的中央部分的示意图，

图4为表示干涉图样的中央部分和来自朝图像传感器发送的光的路径中的其它表面的反射的示意图，

图5为示出根据本发明一个实施例的待测距离的示意图，

图6为示出根据本发明另一个实施例的待测距离的示意图，

图7为根据一个实施例用于实现本发明的设备的示意图，

图8为示出根据本发明一个实施例的待用测试图样的示意图，以及

图9为示出根据本发明另一个实施例的待用测试图样的示意图。

此外，在图中，相同的附图标记在这些图中始终表示相同或相应的部件。

具体实施方式

本发明涉及摄像机的检验，特别涉及检查摄像机中的图像传感器的倾斜的过程。现在参照图1，根据本发明的一个实施例，检查摄像机12中的图像传感器10的倾斜包括：将光14通过摄像机身18中的图像捕获开口16发送到图像传感器10上。根据摄像机的设计，光14可传播通过一个或多个透明板或透明物20。发送到图像捕获开口中的光14随后会被图像传感器10和透明板20反射，反射光22在附图中用从图像传感器10和透明板20返回的箭头图示。该反射随后在分析表面24上被捕获，在分析表面24处可对得到的反射图样进行分析。

发送到摄像机12中并射至图像传感器10上的光14可借助于窄带光源、单色光源或激光器而被传输到图像传感器上。

根据一个实施例，光14沿方向垂直于镜头参考平面26的轴发射到摄像机中。在本发明语境中，镜头参考平面26是与正常操作时安装至摄像机的镜头的光轴垂直的平面。因此，镜头参考平面在大多数情况下可与摄像机的镜头座相关，该镜头座限定了安装在摄像机上的镜头的光轴的方向。

本发明的基本思想是检查图像传感器10相对于镜头参考平面26的倾斜，以便保证摄像机12的质量。如果图像传感器10的倾斜太大，则由图像传感器捕获的图像的质量较差。被视为导致质量较差的图像的倾斜量是主观的。不过，在大多数监视应用中，使图像传感器倾斜0.5~1度常常导致对于实际应用来说过差的质量。借助于本发明，可检测0.1度等级的倾斜角。可针对一系列摄像机中的每一个摄像机或针对随机样品执行这种类型的检查。

参见图2，根据一个实施例，检查图像传感器10的倾斜是通过使光14射至图像传感器10上，然后根据光从图像传感器10的反射22确定图像传感器10的倾斜来实现的。当图像传感器的光检测平面与镜头参考平面不平行时，确定图像传感器10是倾斜的。传感器的这种倾斜可通过检测射至图像传感器10上的光14和该光的反射22之间的偏差来确定。在图2中，从图像传感器反射的光是以与射向图像传感器的光14成2α的角度被反射。通过检测射至图像传感器10上的光14相对于反射22之间的该角度，可确定图像传感器10相对于镜头参考平面26的倾斜角。如果射至图像传感器上的光14是沿垂直于镜头参考平面的方向发射，则图像传感器关于镜头参考平面的倾斜角α是射向图像传感器10的光14与反射光22之间的角度2α的一半。倾斜角α、图像传感器10与分析表面之间的距离l以及从图像传感器10反射的光的理想位置28与从图像传感器10反射的光的实际位置30之间的距离r之间的关系可由下式表示：

$\tan \left(2\mathrm{\α}\right)=\frac{r}{l}$ 等式1

因此，图像传感器的倾斜角α可表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\arctan \left(\frac{r}{l}\right)}{2}$ 等式2

然而，因为射至图像传感器10上的光产生了多个反射，并且并非所有的反射都为来自图像传感器10的反射，因此可能难以识别来自图像传感器的这种反射。这些反射中的至少一些反射可能是由光从位于光传播的路径中的透明材料的反射而产生。在某些摄像机中，在光路中存在玻璃盘或玻璃板，并且一个这样的盘很有可能在光进入玻璃盘所处的表面处产生一个反射，并在光射出玻璃盘所处的表面处产生一个反射。

根据本发明的一个实施例，对干涉图样进行识别。该干涉图样是光从包括多个密集光检测单元的图像传感器反射的结果。这些单元于是可使图像传感器充当产生干涉图样的反射光栅。在该图像传感器的情况中，所产生的干涉图样形成了干涉斑（interference patch）矩阵，参见图3。在某些图像传感器中，从图像传感器可反射额外的反射和图样。在干涉图样中，干涉图样中的斑之一对应于直接反射或为镜面反射，图3中称之为“0^th”。该直接反射0^th常常被称为零级干涉。紧靠零级干涉0^th的斑被称为一级干涉1^st，紧靠一级干涉1^st而进一步远离零级干涉0^th的斑被称为二级干涉2^nd。

因此，该干涉图样是由图像传感器产生的反射，因此为了确定图像传感器的倾斜，干涉图样的斑中的任意一个斑都可以使用。然而，根据本发明一个实施例，由于零级干涉对应于在图像传感器表面上的直接反射，例如作为来自镜面的直接反射，所以利用零级干涉确定图像传感器的倾斜，因此零级干涉可应用于上述用于计算倾斜的等式中。现在参照图4，通过利用来自图像传感器的零级干涉30是干涉图样的组成部分并且由此可在其它反射中被识别出的事实，可解决将来自图像传感器的反射与来自光路中的其它表面的所有反射32a-d区别开的问题。这可以通过使这些反射中的每一个与作为由图像传感器产生的干涉图样的组成部分的光斑相关并且识别出最有可能形成干涉图样的组成部分的反射而实现。使这些反射中的每一个与光斑相关的行为可如识别连接干涉图样的在行34和列36中的干涉位置的线34、36然后在多个反射当中识别该反射一样简单。

因此，识别零级干涉以便确定图像传感器的倾斜角的一种办法是得到一束反射，这是由于相比其它级的干涉，零级干涉很可能更接近这些其它的反射。当得到可能的候选反射时，就只需要识别出该束反射中的哪一个反射属于干涉图样。零级干涉接近其它的反射的原因是图像传感器和产生反射的其它表面的倾斜角非常小，而干涉图样中的干涉位置之间的距离充分大于由这些表面的倾斜而产生的反射和零级干涉之间的距离。

识别零级干涉的另一办法是识别最接近中心标记（centre marker）40的光斑，其中中心标记是表示来自未倾斜的表面或图像传感器的理想反射照射分析表面所处的位置，参见图5。因为图像传感器的倾斜角不大可能大到反射干涉中的另一个干涉的位置相比零级干涉更接近中央标记，因此这是一种合理的假设。

当识别出来自于图像传感器的反射或反射干涉时，则可基于由光在图像传感器上的反射而产生的一个或多个这些特征而确定图像传感器的倾斜。

根据本发明的一个实施例，图像传感器的倾斜角可由自中心标记40到零级干涉30的距离r表示，参见图5。可利用距离r来计算倾斜角，或者作为替代地，r可表示不应被超过的可接受的倾斜角的值。

根据另一个实施例，参见图6，识别并记录零级干涉的位置30，然后将摄像机绕垂直于上述镜头参考平面的轴旋转180度，该轴例如是为使光聚焦在图像传感器上而安装在摄像机上的镜头的光轴。因此，干涉图样也旋转180度，参见图6中的虚斑点，在摄像机旋转180度时记录下零级干涉的位置42。相应零级干涉的两个位置30、42之间的距离d对应于在上述等式和实施例中使用的距离r的两倍。因此，在该实施例中，距离d＝2r，并且关于来自未倾斜的图像传感器的反射的理想点应当是所记录的零级干涉的两个位置30、42之间的距离的一半。于是，可以以如上述的方式利用由这种类型的测量而得到的结果，以便确定倾斜角或者确定倾斜角是否大于特定值。

现在参照图7，用于实现对图像传感器在摄像机中的倾斜的确定的测试装置（test rig）46的一个实施例包括分析表面24、用于将摄像机安装至测试装置46的摄像机接口48、光源50和半透镜52，其中半透镜52用于将来自光源50的光14反射到摄像机12内和摄像机12中的图像传感器10上并且用于让来自摄像机12的反射光22穿过镜52到达分析表面24。摄像机12被安装在测试装置中，使得摄像机12的镜头参考平面26基本平行于分析表面24。实现镜头参考平面平行于分析屏幕的一种办法是利用镜头座或摄像机的其它镜头固定装置将摄像机安装到测试装置。

可手动操作该测试装置。在手动操作中，操作者可监控分析屏幕，并且可测量用于确定图像传感器10的倾斜的特征。作为替代地，分析屏幕24可呈现出表示零级干涉的可接受位置和与一个其它级的干涉相关的位置斑点的测试图样，以便通过使零级干涉与干涉图样的其余图样的至少一部分相关而得到零级干涉。

图8示出了一个这样的测试图样。该图样包括中央倾斜指示区70和对准点72:1-8。中央倾斜指示区70可以具有这样的形状和尺寸，即如果零级干涉的位置处于中央倾斜指示区70内则指示可接受的倾斜。如果中央倾斜指示区70为圆形，那么该圆的半径可利用上面的等式1来确定，其中设置长度l等于分析表面与传感器表面之间的距离，设置倾斜角α为最大可接受的倾斜的角度。为了确认研究的光斑为零级干涉，可使一级干涉图样与对准点72:1-8对准。

根据另一个实施例，图7的分析表面为弯曲的，并且根据一个具体实施例，该表面为球状弯曲。

根据又一个实施例，图7的分析表面包括被布置为检测反射光并且能够自动实现分析测试的图像传感器。

此外，图7中测试装置的光源可替代地被布置于分析表面的后方，并且穿过分析表面中的小孔发送光。在这种实施例中，将无需半透镜。

下面将描述用于确定摄像机的图像传感器的倾斜的方法的一个具体实施例。最初，去掉安装在摄像机上的所有镜头。放置待测的摄像机，使其镜头螺纹（lensthread）接触测试装置的螺纹。测试装置的螺纹具有圆柱形表面，以引导待测的摄像机。将摄像机拧到螺纹上。提及的镜头螺纹可替代地为任意其它的镜头安装结构。将目标，例如图9中的测试图样，放置在分析表面上。中间的圆80是用于标记来自摄像机的中心点出现的位置。左下角的圆84（也称为接受圆）标记在该特定实施例中的接受标准。在圆84内部的较小的阴影圆86是用于标记接受标准的角度的一半。方形82:1、82:3、82:5标记测量点中的角（corner）点所在的位置，三角形82:2、82:4、82:6、82:7标记侧（side）点所在的位置。在一个实施例中，与测试图样上的标记82:1-7相关的这些点属于一级干涉。不过，也可使用更高级干涉点。摄像机轮廓（camera silhouette）88是用于确定目标的方位，以便可以确定哪一个方向存在误差。在分析表面上，具有若干个点。光圈盖（Iris Cover）（未示出）减少了点的数量，但仍存在一些不相关的点。由于测试装置的内部镜中的孔的原因，中心点有时不存在或者部分不存在。

提高利用正确的点来进行测量的可能性的一种办法是进行下面的步骤。确定摄像机轮廓88的方位，使其与测量中的摄像机的方位一致。将中间圆80大致放置在中间点周围。将圆84的中心放置在最近角点上。调节目标，使得与圆84中的角点对角线相对（diagonally opposite）的角点在该线上且在方形82:3中。检查其他的角点位于方形82:1、82:5中，侧点位于三角形82:2、82:4、82:6、82:7中。再次检查圆84中的角点精确地位于圆84的中央。然后，绕摄像机的光轴将摄像机旋转180度，该光轴即为垂直于镜头参考平面故而也垂直于分析表面的轴。不允许该单元与螺纹脱离。注意点的新的位置。穿过目前点绘制的两条虚线应当平行于目标中的长线90、92。如果虚线不平行于长线90、92，则该单元未被旋转180度，或者目标发生移动或未被正确放置。如果这种情况发生，则测量是无效的，必须重新进行测量。

如果虚线平行于长线90、92，则注意现在最接近圆84的角点的位置。如果该点在圆84内部，则摄像机在图像传感器倾斜方面合格。如果该点位于圆84的外部，则摄像机不合格。

Claims (15)

1.一种用于确定摄像机中的图像传感器表面平面相对于所述摄像机的镜头参考平面的倾斜的方法，所述方法包括：

将光发送到所述图像传感器上，

接收从所述图像传感器反射的光，

识别所反射的光的干涉图样，

识别所述干涉图样的特征，以及

基于在所述干涉图样中识别出的所述特征的位置确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征为所述干涉图样的干涉位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征为所述干涉图样中的零级干涉。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述零级干涉的识别基于与来自发送到所述图像传感器上的光的路径中的反射表面的镜面反射的接近。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述零级干涉的识别基于与来自未倾斜的图像传感器的零级干涉的期望位置的接近。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过测量干涉的特征的位置与未倾斜的图像传感器表面平面的干涉的特征的期望位置之间的距离来确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过测量干涉的特征的位置与预定的中心点之间的距离来确定所述图像传感器表面平面的倾斜，其中所述预定的中心点是正常操作时安装至所述摄像机上的镜头的光轴与分析表面相交的点。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中确定所述图像传感器表面平面的倾斜包括：

确定所识别的干涉特征的第一位置，

绕垂直于所述镜头参考平面的轴将所述摄像机大致旋转180度，

在旋转所述摄像机之后，确定所述干涉特征的第二位置，以及

基于所述干涉特征的所述第一位置与所述第二位置之间的距离确定所述图像传感器表面平面的倾斜。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述镜头参考平面为垂直于正常操作时安装到所述摄像机的镜头的光轴的平面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括将所述摄像机附接到测试装置，该测试装置将所述镜头参考平面布置为大致平行于分析表面。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中在分析表面上确定干涉特征的位置。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述分析表面包括能够可视地呈现所述摄像机反射的光的表面。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其中所述分析表面包括布置为检测从所述摄像机反射的光的图像传感器。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中发送到所述图像传感器上的光为单色光。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中发送到所述图像传感器上的光为激光。

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